Summary

Double-H Maze: En Robust Behavioral Test for læring og hukommelse i Gnagere

Published: July 08, 2015
doi:

Summary

The goal of this protocol is to investigate spatial cognition in rodents. The double-H water maze is a novel test, which is particularly useful to elucidate the different components of learning, consolidation and memory, as well as the interplay of memory systems.

Abstract

Romlig erkjennelse forskning i gnagere vanligvis sysselsetter bruk av labyrinten oppgaver, hvis attributter varierer fra en labyrint til den neste. Disse oppgavene varierer etter deres atferdsmessige fleksibilitet og nødvendig minne varighet, antall mål og stier, og også den generelle oppgaven kompleksitet. En confounding funksjon i mange av disse oppgavene er mangelen på kontroll over strategi ansatt i gnagere for å nå målet, f.eks allocentric (deklarative-lignende) eller egosentriske (prosedyre) basert strategier. Den doble-H labyrint er en ny vann flukt minne oppgave som løser dette problemet, ved at eksperimentator å dirigere type strategi lært i løpet av kursperioden. Den doble-H labyrint er en transparent enhet, som består av en sentral alleyway med tre armer som stikker ut på begge sider, sammen med en fluktplattformen senkes ved enden av en av disse armer.

Rotter kan trenes ved hjelp av en allocentric strategi ved å alternere start posisjon i labyrinten på en uforutsigbar måte (se protokoll 1; §4.7), og dermed krever dem til å lære plasseringen av plattform basert på de tilgjengelige allothetic signaler. Alternativt en egosentrisk læringsstrategi (protokoll 2; §4.8) kan benyttes ved å frigjøre rotter fra samme posisjon under hvert forsøk, før de lærer det prosessuelle mønster som kreves for å nå målet. Denne oppgaven har vist seg å muliggjøre dannelse av stabile minne spor.

Minnet kan analysert etter opplæringsperioden på en misvisende probe rettssak, der startposisjon for rotter varamedlemmer. Etter en egosentrisk læring paradigme, rotter ofte ty til en allocentric-basert strategi, men bare når deres første visningen på ekstra-labyrint pekepinner skiller seg markant fra sin opprinnelige posisjon. Denne oppgaven er ideell for å utforske effekten av narkotika / perturbasjoner på allocentric / egosentriske minneytelse, samt samspillet mellom these to minnesystemer.

Introduction

Hos dyr er læring hovedsakelig mediert av de hippocampal- og striatale basert minne systemer 1,2, som spiller sentrale roller angå sted- og prosessuelle-minne, henholdsvis. Forholdet mellom disse to systemene er komplekse, og de ​​er kjent for å samhandle med hverandre i samarbeids eller konkurrerende oppførsel 1,3. I tillegg har studier vist at påvirkningen av hver av disse hukommelsessystemer på dyrs oppførsel kan øke som følge av fravær eller skade av det andre systemet 4-7. Begge disse systemene er forbundet med den prefrontale cortex via thalamus.

Mange nevrologiske lidelser og nevrodegenerative sykdommer kan påvirke romlig erkjennelse hos mennesker som er avhengige av samspillet mellom prosessuelle og deklarativ minne systemer. Eksempler inkluderer Parkinsons sykdom (PD), Huntingtons sykdom (HD) 8-10, Alzheimers sykdom (AD) 11-14, samtamyotrofisk lateral sklerose (ALS) 15. Dyremodeller, som er relevant for disse lidelsene kan induseres gjennom ulike medikamentelle behandlinger som blokkerer visse reseptorer 16, samt gjennom målrettede lesjoner. Når slike dyr brukes med romlige hukommelsesoppgaver, kan en verdifull innsikt oppnås i de underliggende mekanismene knyttet til disse lidelsene, samt til ulike behandlingstilbud.

Det finnes mange forskjellige typer av romlig hukommelsesoppgaver i gnagere, som samlet er konstruert for å vurdere bestemte aspekter av læring og hukommelse, så vel som effekten av mulige behandlinger for forskjellige forstyrrelser 17,18. Disse oppgavene kan være preget av antall mål og veier, graden av atferds fleksibilitet i å løse oppgaven, minnet varighet eller forsinkelse, samt valg av strategi som brukes for å løse oppgaven. En god prestasjon kan erverves basert på eksterne signaler eller landemerker som brukes til å orienteredyret mot mål (en allocentric eller sted strategi). Alternativt kan en gnager utvikle en strategi som er basert på kroppslige retning og signaler med hensyn til retning for å bevege seg i (en egosentrisk eller prosedyre strategi), f.eks hvis en rotte vet at målet er en venstresving etterfulgt av en høyresving , så er det lite behov for en allocentric eller sted strategi. Maze oppgaver ofte variere basert på graden av fleksibilitet tilbys til gnager i å løse dem. For eksempel, i Morris Water Maze, en tørr versjon av sistnevnte (f.eks, 19) eller Barnes labyrinten (f.eks, 20), er det potensielt uendelig ruter rat kan ta for å nå målet. I Morris Water Maze, for eksempel plasseringen av målet kan læres basert på eksterne landemerker eller signaler (allocentric strategi), eller ved å svømme i sirkler mot sentrum inntil plattformen er funnet (egosentriske strategi) 21. Enkelte oppgaver har flere målog en høy grad av fleksibilitet, slik som kjegle feltet oppgave 22 eller Olton største radial labyrint 23. I den andre enden av skalaen er oppgaver, som gir begrenset fleksibilitet i å nå målet, for eksempel, steinen labyrinten, eller vekslende versjonen av T-labyrint. Disse oppgavene gir bare én riktig måte å nå målet, og legge til rette for fremveksten av kognitive rutiner som er i hovedsak styrt av striatum-baserte saksbehandlingsminnesystem.

Den doble-H labyrint er en ny romlig hukommelse testeapparat, som ble utformet for å tillate experimenter å lede den type strategi som er lært av gnagere i å løse oppgaven 24. Bestående av tre parallelle kjøre armer som krysses av en vinkelrett sentral alleyway, er dobbelt-H labyrint en vann-flukt oppgave som gnagere lære å oppnå en fluktplattform som er nedsenket i en av labyrinten steder. Under trening, kan en prosessuell strategi skal utvikles ved å opprettholde than samme start og mål steder over hele. Alternativt kan en allocentric strategi skal utvikles ved å endre startstedet i tilfeldig rekkefølge, og dermed krever rotte å lære plasseringen av skjult plattform basert på miljømessige signaler som det har å gjøre i et vann labyrint. Dette overvinner en hindring er tilstede i mange forskjellige labyrint oppgaver, hvor experimenter ellers har liten kontroll over den type strategi som gnagere utnytte. Dette er viktig når man vurderer at effekten av visse kognisjonsforøkende legemiddelkandidater er avhengige av hippocampus-baserte sted-minnesystem, og dermed fremveksten av kognitive rutiner eller prosedyrer kan forvirre tolkningen av de atferdsmessige observasjoner når dyr, for eksempel overgang fra allocentric til prosessuelle minne i løpet av treningen. Tilsvarende kan det være ønskelig å vurdere virkningene av medikamenter og behandlinger på prosessuelle minne, uten påvirkning av allocentric sted basert minne. Til slutt, denne enhetenkan benyttes til å studere samarbeids eller konkurrerende interaksjoner mellom disse minnesystemer, og under hvilke vilkår gnagere kan bytte fra ett system til et annet.

Protocol

1. Generelle betraktninger Denne protokollen er godkjent av Animal Care og bruk komité universitetssykehus Freiburg (samme for Strasbourg). Synsskarphet er nødvendig for ytelse i tester av romfølelse. Gnagere med nedsatt synssystem er derfor ikke egnet. Også belysning må være tilstrekkelig for at rottene å se de forskjellige signaler som ligger på de omkringliggende vegger. Det er nyttig å bruke grunnleggende formede (firkant, sirkel, trekant) men godt kontrast signaler (f.eks svartma…

Representative Results

Egosentriske læringsstrategi En studie ble utført for å avgjøre om den valgte minne strategi i rotter endringer basert på endringer i deres perspektiv av eksterne miljø signaler, etter en egosentrisk-læring paradigmet 25. Rotter ble trent over 4 dager (fire studier / dag) for å nå et mål arm ligger på NE, og ble deretter testet på den femte dagen ved hjelp av en misvisende probe rettssak, der starten arm var enten flyttet 60 cm til venstre (dvs. , NE starte for d…

Discussion

Kommentarer til studiedesign og analyse

Siden oppfatning har det doble-H labyrint blitt benyttet i en rekke av atferdsmessige eksperimenter i rotter, som kollektivt ble utformet for å studere egosentriske og / eller allocentric responser hos rotter under normale 24,25 og endrede 26-29 hjernen stater. De sistnevnte studiene inkluderer striatal dyp hjernestimulering (DBS) 26, dyremodeller av nevrologiske lidelser 27,28, samt bilaterale deaktivering av …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av Universitetet i Strasbourg og Neurex-Neuroscience Upper Rhine Network (post-doc til RP) og ved BrainLinks-BrainTools Cluster of Excellence finansiert av den tyske Research Foundation (DFG, gi nummer EXC 1086). Vi takker Nadja Martini for sakkyndig teknisk assistanse.

Materials

Rats or Mice Charles River
Towels for drying University Hospital 1 / animal
Water ~200 L / day
Skim milk powder Grocery store 250 g / 200 L water
Garden Hose Hardware store
Drying rack for towels Hardware store
Kinect camera Kinect
PC computer any
[header]
Double H Maze, (plexiglass) (Custom-Built)
External lateral walls, 1600 × 350 × 6 mm 2
Internal lateral walls, 706 × 350 × 6 mm 8
Central corridor panels, 500 × 350 × 6 mm 4
Arm extremities, 188 × 350 × 6 mm 6
Guillotine doors, 187 × 350 × 6 mm 3
Extremity covers, 200 × 250 mm 6
Crossbars, 200 × 40 mm 6
[header]
Double-H Maze Platform (to be ballasted) Double-H Maze Platform (to be ballasted) (Custom-Built)
Metal platform, 100 mm diameter × 150 mm 2
Platform cover, 100 mm diameter × 6mm 2

Referências

  1. Izquierdo, I., et al. The connection between the hippocampal and the striatal memory systems of the brain: a review of recent findings. Neurotoxicity Research. 10 (2), 113-121 (2006).
  2. Albouy, G., et al. Both the hippocampus and striatum are involved in consolidation of motor sequence memory. Neuron. 58 (2), 261-272 (2008).
  3. Albouy, G., et al. Interaction between Hippocampal and Striatal Systems Predicts Subsequent Consolidation of Motor Sequence Memory. Plos One. 8 (3), (2013).
  4. Chang, Q., Gold, P. E. Intra-hippocampal lidocaine injections impair acquisition of a place task and facilitate acquisition of a response task in rats. Behav Brain Res. 144 (1-2), 19-24 (2003).
  5. McDonald, R. J., Hong, N. S., Devan, B. D. The challenges of understanding mammalian cognition and memory-based behaviours: an interactive learning and memory systems approach. Neurosci Biobehav Rev. 28 (7), 719-745 (2004).
  6. Packard, M. G. Anxiety cognition, and habit: a multiple memory systems perspective. Brain Res. 1293, 121-128 (2009).
  7. Packard, M. G., McGaugh, J. L. Inactivation of hippocampus or caudate nucleus with lidocaine differentially affects expression of place and response learning. Neurobiol Learn Mem. 65 (1), 65-72 (1996).
  8. Lawrence, A. D., et al. Executive and mnemonic functions in early Huntington’s disease. Brain. 119 (Pt 5), 1633-1645 (1996).
  9. Lawrence, A. D., Watkins, L. H., Sahakian, B. J., Hodges, J. R., Robbins, T. W. Visual object and visuospatial cognition in Huntington’s disease: implications for information processing in corticostriatal circuits. Brain. 123 (Pt 7), 1349-1364 (2000).
  10. Walker, F. O. Huntington’s disease. Lancet. 369 (9557), 218-228 (2007).
  11. Cushman, L. A., Stein, K., Duffy, C. J. Detecting navigational deficits in cognitive aging and Alzheimer disease using virtual reality). Neurology. 71 (12), 888-895 (2008).
  12. Liu, L., Gauthier, L., Gauthier, S. Spatial disorientation in persons with early senile dementia of the Alzheimer type. A`m J Occup Ther. 45 (1), 67-74 (1991).
  13. Mapstone, M., Steffenella, T. M., Duffy, C. J. A visuospatial variant of mild cognitive impairment: getting lost between aging and AD. Neurology. 60 (5), 802-808 (2003).
  14. Vliet, E. C., et al. The neuropsychological profiles of mild Alzheimer’s disease and questionable dementia as compared to age-related cognitive decline. J Int Neuropsychol Soc. 9 (5), 720-732 (2003).
  15. Hanagasi, H. A., et al. Cognitive impairment in amyotrophic lateral sclerosis: evidence from neuropsychological investigation and event-related potentials. Brain Res Cogn Brain Res. 14 (2), 234-244 (2002).
  16. Robbins, T. W., Murphy, E. R. Behavioural pharmacology: 40+ years of progress, with a focus on glutamate receptors and cognition. Trends Pharmacol Sci. 27 (3), 141-148 (2006).
  17. Paul, C. M., Magda, G., Abel, S. Spatial memory: Theoretical basis and comparative review on experimental methods in rodents. Behav Brain Res. 203 (2), 151-164 (2009).
  18. Hodges, H. Maze procedures: the radial-arm and water maze compared. Brain Res Cogn Brain Res. 3 (3-4), 167-181 (1996).
  19. Kesner, R. P., Farnsworth, G., Kametani, H. Role of parietal cortex and hippocampus in representing spatial information. Cereb Cortex. 1 (5), 367-373 (1991).
  20. Barnes, C. A. Memory deficits associated with senescence: a neurophysiological and behavioral study in the rat. J Comp Physiol Psychol. 93 (1), 74-104 (1979).
  21. Whishaw, I. Q., Cassel, J. C., Jarrad, L. E. Rats with fimbria-fornix lesions display a place response in a swimming pool: a dissociation between getting there and knowing where. J Neurosci. 15 (8), 5779-5788 (1995).
  22. Staay, F. J., Raaijmakers, W. G., Lammers, A. J., Tonnaer, J. A. Selective fimbria lesions impair acquisition of working and reference memory of rats in a complex spatial discrimination task. Behav Brain Res. 32 (2), 151-161 (1989).
  23. Olton, R. S., Samuelson, R. J. Remembrance of places past: Spatial memory in rats. J Exp Psych. 2 (2), 97-116 (1976).
  24. Pol-Bodetto, S., et al. The double-H maze test, a novel, simple, water-escape memory task: acquisition, recall of recent and remote memory, and effects of systemic muscarinic or NMDA receptor blockade during training. Behav Brain Res. 218 (1), 138-151 (2011).
  25. Cassel, R., Kelche, C., Lecourtier, L., Cassel, J. -. C. The match/mismatch of visuo-spatial cues between acquisition and retrieval contexts influences the expression of response vs. place memory in rats. Behavioural Brain Research. 230 (2), 333-342 (2012).
  26. Schumacher, A., de Vasconcelos, A. P., Lecourtier, L., Moser, A., Cassel, J. C. Electrical high frequency stimulation in the dorsal striatum: Effects on response learning and on GABA levels in rats. Behavioural Brain Research. 222 (2), 368-374 (2011).
  27. Lecourtier, L., et al. Intact neurobehavioral development and dramatic impairments of procedural-like memory following neonatal ventral hippocampal lesion in rats. Neurociência. 207, 110-123 (2012).
  28. Kirch, R. D., et al. Early deficits in declarative and procedural memory dependent behavioral function in a transgenic rat model of Huntington’s disease. Behav Brain Res. 239, 15-26 (2013).
  29. Cholvin, T., et al. The ventral midline thalamus contributes to strategy shifting in a memory task requiring both prefrontal cortical and hippocampal functions. J Neurosci. 33 (20), 8772-8783 (2013).
  30. Hooge, R., De Deyn, P. P. Applications of the Morris water maze in the study of learning and memory. Brain Res Brain Res Rev. 36 (1), 60-90 (2001).
check_url/pt/52667?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Kirch, R. D., Pinnell, R. C., Hofmann, U. G., Cassel, J. The Double-H Maze: A Robust Behavioral Test for Learning and Memory in Rodents. J. Vis. Exp. (101), e52667, doi:10.3791/52667 (2015).

View Video